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發動機曲柄連桿機構和機體組的結構分類

 

摘要：曲柄連桿機構是機械傳動中常用的一種機構，它可以將連續圓周運動變成間斷直線運動或者間斷直線運動變成連續圓周運動。因此，曲柄連桿機構是柴油發動機的核心部件之一，對發動機的性能和壽命有著重要的影響。康明斯發電機廠家在本文中將從曲柄連桿機構的構成、工作原理、動力學分析等方面展開討論，以提高發動機的功率、效率和可靠性。

 

一、曲柄連桿機構工作原理

 

      在發動機作功時，氣缸內最高溫度可以高達2500k以上，最高壓力可達5～9MPa，現代柴油機最高轉速可達3000～6000r/min，則活塞每秒要進行約100～200個行程，可見其線速度是很大的。此外，可與燃氣混合氣和燃燒廢氣接觸的機件（如氣缸、氣缸蓋、活塞組等）還將受到化學腐蝕。因此，曲柄連桿機構的工作條件的特點是高溫、高壓、高速和化學腐蝕。由于曲柄連桿機構是在高壓下作變速運動，因此它在工作中的受力情況很復雜，其中有氣體作用力、運動質量慣性力、摩擦力以及外界阻力等。對機構進行受力分析如圖1、圖2、圖3圖4所示。

1、氣體作用力

      在每個工作循環的四個行程中，氣體壓力始終存在。但由于進氣、排氣兩行程中氣體壓力較小，對機件影響不大，故這里主要研究作功和壓縮行程中的氣體作用力。

（1）在作功行程中，氣體壓力是推動活塞向下運動的力。這時燃燒氣體產生的高壓直接作用在活塞的頂部。設活塞所受總力Fp傳到活塞銷上，可分解為Fp1和Fp2，分力Fp1通過活塞銷傳給連桿，并沿連桿方向作用在曲柄銷上；還可分解為兩個分力Fr和Fs，分力Fr沿曲柄方向使曲軸主軸徑與主軸承之間產生壓緊力；與曲柄垂直的分力Fs除了使主軸頸和主軸承之間產生壓緊力外，還對曲軸形成轉矩T，推動曲軸旋轉；力Fp2把活塞壓向氣缸壁，形成活塞與缸壁間的側壓力，有使機體翻倒的趨勢，故機體下部的兩側應支承在車架上。

（2）在壓縮行程中，氣體壓力是阻礙活塞向上運動的阻力。這時作用在活塞頂的氣體總壓力Fp'也可以分解為兩個分力Fp1'和Fp2'，而Fp1'又分解為Fr'、Fs'。Fr'使曲軸主軸徑與主軸承間產生壓緊力，Fs'對曲軸造成一個旋轉阻力矩T'，企圖阻止曲軸旋轉，而Fp2'則將活塞壓向氣缸的另一側壁。

（3）在工作循環的任何行程中，氣體作用力的大小都是隨著活塞的位移而變化的，再加上連桿在左右搖擺，因而作用在活塞銷和曲軸軸徑的表面以及兩者的支承表面上的壓力和作用點不斷變化，造成各處磨損不均勻。同樣，氣缸壁沿圓周方向的磨損也不均勻。

2、往復慣性力與離心力

      往復運動的物體，當運動速度變化時，就要產生往復慣性力。物體繞某一中心作旋轉運動時，就會產生離心力。這兩種力在曲柄連桿機構的運動中都是存在的。

（1）活塞和連桿小頭在氣缸中作往復直線運動時，速度很高，而且數值在不斷變化。當活塞叢上止點向下止點運動時，其速度變化規律是：從零開始，逐漸增大，臨近中間達到最大值，然后又逐漸減小至零。也就是說，當活塞向下運動時，前半行程是加速運動，慣性力向上，以Fj表示；后半行程是減速運動，慣性力向下，以Fj’表示。同理，當活塞向上時，前半行程慣性力向下，后半行程慣性力向上。

（2）活塞、活塞銷和連桿小頭的質量越大，曲軸轉速越高，則往復慣性力也越大。它使曲柄連桿機構的各零件后來所有軸頸受周期性的附加載荷，加快軸承的磨損；未被平衡的變化著的慣性力傳到氣缸體后，還會引起發動機的振動。

（3）偏離曲軸軸線的曲柄、曲柄銷和連桿大頭繞曲軸軸線旋轉，產生旋轉慣性力，即離心力，其方向沿曲柄半徑向外，其大小與曲柄半徑、旋轉部分的質量及曲軸轉速有關。曲柄半徑長，旋轉部分質量大，曲軸轉速高，則離心力大。離心力Fc在垂直方向的分力Fcy與往復慣性力Fj方向總是一致的，因而加劇了發動機的上、下振動；而水平方向分力Fcx則使發動機產生水平方向的振動。離心力使連桿大頭的軸瓦和曲柄銷、曲軸主軸頸及其軸承受到又一附加載荷，增加了它們的變形和磨損。

3、摩擦力

      在任何一對互相壓緊并作相對運動的零件表面之間，必定存在摩擦力，其最大值決定于上述各種力對摩擦面形成的正壓力和摩擦因數。

      上述各種力作用在曲柄連桿機構和機體的各有關零件上，使它們受到壓縮、拉伸、彎曲和扭轉等不同形式的載荷。

 

圖1  柴油機曲柄連桿機構受力示意圖	圖2  曲柄連桿機構受力分析
圖3  柴油機曲柄連桿機構中作用力及傳遞	圖4  柴油機旋轉慣性力的平衡

 

二、曲柄連桿機構類型與組成

 

1、曲柄連桿機構分類

（1）中心曲柄連桿機構

      其特點是活塞銷運動軌跡與曲軸軸線相交，這種機構最為簡單，加工容易。中心曲桿的幾何特性完全由曲柄連桿比確定，其中r為曲柄半徑，即曲軸主軸頸軸線到連桿軸頸或曲軸銷軸線的距離，l為連桿長度，即連桿大小頭孔軸線的距離。

（2）偏心曲柄連桿機構。

      其特點是活塞銷運動軌跡不與曲軸軸線相交，或者曲軸軸線相對氣缸軸線偏移（目的在于減小燃燒膨脹行程活塞對氣缸的作用力），或者活塞銷軸線相對活塞軸線偏移（目的在于減輕上止點附近活塞對氣缸的拍擊），不過在這兩種情況下偏心量e都不大。

（3）關節曲柄連桿機構。

      用于少數雙列式V型及全部三列W型、四列X型和多列星型柴油機中。柴油機的一列氣缸用主連桿與曲柄銷相連，其他各列氣缸則用副連桿與主連桿上的副連桿銷相連，形成關節式的搖擺運動。這種機構的優點是副連桿大小頭軸承均無高速滑動，尺寸可以縮小，而主連桿大頭的軸承可以有足夠大的尺寸。

2、曲柄連桿機構組成

      曲柄連桿機構由曲柄、連桿和活塞三個部分組成，如圖5所示。曲柄是一個彎曲的軸，一般用于將旋轉運動轉化為直線運動。連桿是曲柄的一端與活塞的另一端連接的結構物，它可以將曲柄的旋轉運動轉化為活塞的往復直線運動，或將活塞的往復直線運動轉化為曲柄的旋轉運動。而活塞就是連接到連桿上的一個移動元件，一般用于將壓力進行轉移或從某個位置移動到另一個位置。

三、機體組結構

 

      曲柄連桿機構是柴油發電機的主要機構，它承受缸內氣體壓力，將燃料燃燒所釋放出來的熱能轉變為機械能，將活塞往復直線運動轉變為曲軸的旋轉運動，并向傳動裝置輸出動力。曲柄連桿機構包含的零件較多，大致可將其分成三大組成部分，即機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組。機體組具有安裝在柴油機上靜止不動的特點，所以又稱為固定件。活塞連桿組和曲軸飛輪組在柴油機工作過程中不停地作往復直線運動和旋轉運動，故又稱為運動件。機體組包括氣缸體、氣缸蓋、氣缸套、氣缸襯墊、主軸承蓋、油底殼及曲軸箱等主要零件。機體組是柴油機的基礎，柴油機零件幾乎全部安裝在機體上。

1、汽缸蓋

      氣缸蓋及氣缸墊用于密封氣缸，氣缸蓋并與活塞頂組成燃燒室。氣缸蓋借高強度螺栓壓緊在氣缸體上。氣缸蓋和氣缸體內部的水套和油道以及油底殼分別組成冷卻系和潤滑系。

2、汽缸套

      氣缸套的內壁對活塞運動起導向作用，在運動中受高溫高壓燃氣的作用所產生熱應力和機械應力而磨損。氣缸套磨損后可更換，便于維修。柴油機多采用濕式氣缸套，其外壁直接與冷卻水接觸，上部多利用凸緣底面與氣缸體支承面壓緊密封，下部通常用2～3道耐油耐熱的橡膠密封環密封;有些柴油機采用干式氣缸套或無缸套結構。

3、曲軸箱

      曲軸箱的結構有三種形式。

（1）曲軸箱和氣缸體鑄成一體。

（2）曲軸箱和氣缸體分開鑄造，兩者之間用螺栓連接。

（3）曲軸箱分成上下兩部分，下曲軸箱用薄鋼板或鋁合金制成，貯存機油并起密封、防護作用，上曲軸箱與氣缸體制成一體，為一整體鑄件，通常又稱作機體。

4、氣缸體

      氣缸體是柴油機的骨架，具有足夠的剛度。它是曲柄連桿機構和其他機構的安裝基礎。氣缸套裝在缸套安裝孔內，主軸承座用來支承曲軸。氣缸體內設有冷卻水和機油的通路，二沖程柴油機的氣缸體上還有換氣通道。    機體的結構形式有三種，即龍門式、隧道式和平分式（如圖7所示）。

（1）龍門式機體

      其特點是主軸承座是分開式的，主軸從機體的下方拆裝，機體的下平面位于曲軸中心線以下。一般式機體的特點是機體的下平面與曲軸中心線在同一平面內，隧道式機體的特點是主軸承座為整體式的，曲軸從機體后方裝入。康明斯柴油機機體通常采用龍門式結構。

（2）隧道式機體

      其特點是主軸承座為整體式，呈隧道形，曲軸可由后端或側面裝入。其剛度、強度是三種形式中最好的，但拆裝曲軸不方便。小型發動機由于曲軸短，安裝方便，所以采用這種結構比較合適。

（3）平分式（又稱一般式）機體

      其特點是油底殼安裝平面和曲軸旋轉中心在同一高度。這種汽缸體的優點是機體高度小，質是輕，結構緊湊 ，便于加工，曲軸拆裝方便；其缺點是剛度和強度較差。

5、油底殼

      油底殼是曲軸箱的下半部，又稱為下曲軸箱，結構如圖8所示。作用是封閉曲軸箱作為貯油槽的外殼，防止雜質進入，并收集和儲存由柴油機各摩擦表面流回的潤滑油，散去部分熱量，防止潤滑油氧化。油底殼多由薄鋼板沖壓而成，有利于潤滑油雜質的沉淀，側面裝有油尺，用來檢查油量。此外，油底殼底部最低處還裝有放油螺塞。

 

圖7  氣缸體分類示意圖

圖8  油底殼結構組成圖

 

總結：

      通過上述介紹曲柄連桿機構的基本結構和工作原理，來分析曲柄連桿機構的動力學特性，包括振動、載荷傳遞、磨損等方面的問題，以及對性能的影響。綜上所述，對柴油發電機曲柄連桿機構的設計和優化進行全面研究，是每個柴油發電機廠家必修課，為提高發動機性能、降低成本、提高可靠性等方面提供參考。

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